文章目录
- [1. 摘要](#1. 摘要)
- [2. 直流电机控制器基础](#2. 直流电机控制器基础)
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- [2.1 电机类型简介](#2.1 电机类型简介)
- [2.2 BLDC 电机/PMSM 的兴起](#2.2 BLDC 电机/PMSM 的兴起)
- [2.3 了解电机控制器的工作原理](#2.3 了解电机控制器的工作原理)
- [3. 了解电机控制装置](#3. 了解电机控制装置)
- [4. 了解电机控制算法](#4. 了解电机控制算法)
1. 摘要
电机，这个藏在风扇、电动车、机器人里的"动力心脏"，如何精准控制它的转速、方向甚至力量？这篇博客专为完全零基础的小白打造，用"说人话"的方式拆解电机控制的底层逻辑，帮你从"看不懂电路图"到"能调个简单电机"。
电机控制不是"大神专属"，只要掌握"电生磁、磁生力"的底层逻辑，加上动手实践，小白也能快速入门。这篇博客会陪你从"看电机转"到"让电机听话"，把复杂的控制原理变成能上手玩的"小实验"。准备好你的面包板和电机，我们一起开启"电控之旅"吧！
2. 直流电机控制器基础
2.1 电机类型简介
如今主要有如下几种类型的电机：有刷直流电机、步进电机、感应电机以及无刷直流（BLDC）电机/ 永磁同步电机（PMSM）。图 1-1 是对电机类型的汇总。
密切相关的两种无刷电机⸺无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）⸺越来越广泛地应用于众多领域。这些电机不需要电刷和换向器，因此比有刷电机更高效，并可有效延长电机寿命。
在有刷电机中，转向（在各相中切换电流，以便形成能够产生运动的旋转磁场的过程）由电刷/ 换向器接口产生。该接口会产生不利的摩擦和电弧。
无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）采用电子生成的旋转磁场，因此不需要使用电刷和换向器。这是通过使用外部电路调节传送到各相的电压和电流来实现的。
虽然这些电路稍微复杂一些，但与传统有刷电机相比，无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）具有一些重要的优势。它们的电子换向方案使能源效率比以相同速度运行的有刷电机提高了20% 到30%，同时更加耐用、体积更小、重量更轻、噪音也更小。
2.2 BLDC 电机/PMSM 的兴起
在有刷电机中，绕组位于转子（电机的旋转部分）上。在无刷电机中，绕组位于定子（电机的静止部分）。将绕组放在电机静止不动的部分，并将永磁体放在转子上，这样就不需要电刷了。在无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）中，通过电子控制器从外部控制流向固定定子线圈的电流。
这些无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）比其他类型的电机具有明显优势，因此，在许多应用中，它们正逐渐取代有刷直流电机和感应电机。实际上，无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）已广泛应用于汽车、电动工具和家用电器中。
与传统的有刷电机相比，无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）具有诸多优势。它们节能，体积更小，重量更轻，噪音更小，也更可靠耐用。
此外，它们还能精确地控制速度，更适合用于变速应用。最后，它们还具有出色的速度扭矩特性。
无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）通常用于需要精确控制速度的地方。我们将在第二章详细介绍其工作原理，但基本概念如图1-2所示。霍尔传感器或旋转编码器检测转子的位置，通过分析传感器输出端极性和变化率来测量速度。像图1-2 中所示的三相无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）需要三个霍尔传感器。
为发挥其优势，这些电机额外需要一些复杂的控制。由于无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）采用电子换向电路，因此，它们需要监控电路来确保线圈激励精确定时，从而准确调节速度、恰当控制扭矩以及提高效率。在许多需要可调速和准确控制位置的新型电机应用中，这种驱动电路是必不可少的。
2.3 了解电机控制器的工作原理
电机控制器可完成多项非常重要的工作。其最基本的功能是通过控制各相的电压来调节电动机的速度和方向。但电机控制器还：
- >> 调节电机速度、扭矩或功率输出
- >> 控制启动或软启动
- >> 防止出现电路故障
- >> 使电机加速和减速更平稳
- >> 防止过载
为实现所有这些功能，电机控制器必须比以往更加智能。例如，它们能够通过监测负载并调整扭矩使其匹配来提高效率。提高效率的同时还减少电机的热量、噪音和振动。
具有常规三相逆变器的无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）传统上需要多个集成芯片（IC）来提供各种电机控制器功能（参见图2-3）。这其中包括微控制器、用于驱动功率金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）的预驱动功率级、用于放大检测到的电机电流的差分放大器、提取反电动势(BEMF) 信息的比较器以及降低电压的开关式和线性稳压器。
由于半导体技术的进步，如今很多功能都被并入一个小型控制装置中。
3. 了解电机控制装置
本章中，我们将进一步探讨无刷直流电机(BLDC), 该电机在许多应用中正逐步替代其他类型电机（参见第2章）。我们将介绍无
刷直流电机、永磁同步电机（PMSM）以及它们的控制方式。
3.1 无刷电机驱动器类型比较
无刷电机有很多类型。使用最广泛的是单相和三相无刷直流电机（BLDC）/ 永磁同步电机（PMSM）。
刷直流电机和永磁同步电机均以同步电机的工作原理为基础。由于定子相序切换产生旋转磁场，转子磁极会试图与其保持同步，从而使电机开始运转。每次换向时，转子都会继续追随定子，因此电机会持续运转。
但是，这两种直流电机定子绕组的几何形状不同，因此它们会产生不同的反电动势(BEMF) 反应。
无刷直流电机（BLDC）反电动势反应是梯形的。这意味着控制这其中每一种电机所需要的控制波形都有所不同，因为应根据电机类型进行控制。图2-1将两种类型电机的波形进行了对比。
相比之下，在永磁同步电机中，线圈以正弦方式缠绕，从而产生正弦反电动势信号（类似于间隔120 度的三个正弦波）。为最大限度地提高性能，这些电机通常使用正弦波换向。
反电动势
无刷直流电机/永磁同步电机运行时通过其绕组产生反电动势。如果将载流导体放入磁场中或者该导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会感应或产生电动势。如果提供了闭合路径，电流就会从中流过。在任何电机中，因为电机运动而产生的电动势被称为反电动势，因为电机中产生的电动势与发电机中产生的电动势相反。
磁场定向控制
若要实现正弦波形以便控制永磁同步电机，需要使用磁场定向控制（FOC）算法。磁场定向控制或矢量控制是一种利用两个正交分量对三相电机中的定子进行变频控制的技术。一个正交分量定义定子产生的磁通量，而另一个则对应于电机速度定义的扭矩，由转子位置决定。
磁场定向控制算法通常用于最大限度地提高以正弦模式运行的三相永磁同步电机的效率。在正弦换向中，三根电线均永久性地由正弦电流供电，正弦电流各相相隔120 度。这将在电机笼内产生一个旋转的南北磁场。磁场定向控制算法需要电机位置和速度来进行计算。
用于永磁同步电机的正弦控制器更加复杂，因此比无刷直流电机梯形控制器更加昂贵。成本增加确实带来了一些优势，例如噪音更低、电流波形中的谐波更少。但是，无刷直流电机的主要优势是更易于控制。选择哪种电机最合适取决于具体用途。
任一类型的换向方案均可与任一类型的电机配合使用。但是，使用六步梯形算法，无刷直流电机的性能可能更好，而永磁同步电机使用正弦波换向算法时性能更高。
3.2 选择带传感器的电机还是无传感器电机
本节我们将仔细研究无刷直流电机和永磁同步电机中两种非常重要的类型：带传感器的电机和无传感器电机。
带传感器的电机
带传感器的无刷直流电机/ 永磁同步电机用于需要电机在负载下启动的应用中。它们使用嵌入电机定子的霍尔传感器。该传感器本质上是一个开关，其数字输出等同于感测到的磁场极性（即HI 代表北，LO 代表南）。
电机各相都需要一个单独的霍尔传感器。单相无刷直流电机/ 永磁同步电机只需要一个霍尔传感器；三相无刷直流电机/ 永磁同步电机需要三个霍尔传感器。利用这些传感器，控制器可获得转子位置，确定哪个扇区（例如磁场极性）需要激励，并确定何时应用激励方案。
无传感器电机
基于硬件的感测会增加传感器、布线以及制造的成本，还会降低电机制造良率。由于这些原因，很多应用中越来越普遍使用无传感器电机。
无传感器电机要求算法将电机作为传感器来运行。它们依靠反电动势信息。
在控制无刷直流电机的传统六步梯形换向算法中，任何指定时间只有两相通电，如图2-2 所示。另一相处于浮动状态，为电机的反电动势提供了一个窗口。通过对此反电动势采样，可推断出转子位置，从而无需使用基于硬件的传感器。
不管电机的拓扑结构如何，控制这些机器均需要了解转子的位置，这样才能使电机进行有效换向。如果转子的旋转磁场是通过与定子的永磁体的相互作用产生的，系统的运动和效率都会受到影响。有些电机使用传感器和带传感器的算法来获得转子位置，而其他一些电机不带传感器，从数学模型（无传感器算法）得出转子位置。
无传感器算法的一个缺点在启动时出现，此时电机速度为0。因为反电动势与电机速度成正比，当电机速度为零时，反电动势也为零。没有反电动势值，就无法推断转子位置。此问题可通过新型算法解决：将高频信号注入三相来推断转子位置。
选择带传感器还是不带传感器通常取决于成本。一般来说，根据性能、成本及其他因素来决定选择无刷直流电机还是永磁同步电机。
无传感器控制可降低成本，因为它无需额外的硬件，并使电机制造良率接近100%。因此，在风扇、冰箱压缩机、空调以及许多园艺工具等低成本、变速电机应用中，无传感器电机控制很常见。但是，启动时需要高扭矩的应用（如电动自行车和很多电动工具）需要有传感器的电机。
永磁同步电机与磁场定向控制算法相结合通常可提供最高性能。但永磁同步电机的成本一般高于无刷直流电机（虽然差距正在缩小），控制也更为复杂。机器人技术和伺服应用可能会因永磁同步电机而受益。
3.3 探讨小型化电机控制器
当今许多集成电机控制和驱动设备都非常复杂。它们需要模拟电路，如从相电流中抽样的差分放大器，还需要将这些值转移到数字域的模数转换器（ADC）。除了这两个模块，它们还需要比较器来进行电流采样，保护系统免受过电流的影响。它们利用可编程数模转换器(DAC) 作为基准，并采用其他模拟模块（如单端放大器）来采集相电压。
现在，无需使用分立组件来实现所有这些功能，而是可以将这些模块集成到单个设备中。这样做可确保为所有应用提供紧凑的解决方案。产品工程师不必再将许多独立的组件拼凑在一起，相反, 他们可以使用具有灵活的软件可配置性的即插即用片上系统(SOC)。
如图2-3 所示，微处理器内核具有模拟前端、电源驱动、电源管理、脉宽调制(PWM) 发生器以及序列驱动数据采集功能。电源管理器还处理一些系统功能，其中包括内部基准生成、定时器、休眠模式管理以及电源和温度监控。
4. 了解电机控制算法
在本章中，您将了解电机控制算法及其工作原理，还将了解各领域的一些实际范例。
算法是一组为执行特定任务而设计的指令。计算机程序本质上是多组 算法。
在无刷直流(BLDC) 电机/ 永磁同步电机(PMSM) 中，软件算法通过监测和控制电机操作来提高效率并降低运行成本。在带传感器的无刷直流电机/永磁同步电机中，主要算法的一些最重要的功能如下：
- >> 电机初始化
- >> 霍尔传感器转子位置检测
- >> 检查开关信号是增加电流基准还是减少电流基准
- >> 检查电机旋转方向
4.1 了解控制器如何处理传感器信息
无刷直流电机定子有三个霍尔传感器，各相彼此相隔120 度（参见第3章）。当它们的数字输出数据合并在一起时，会产生一个代表转子位置的三位数字。
如图3-1 所示，可用三位代码代表1 到6 之间的操作码。三相无刷直流电机有六种状态（从三相输出得出的六种可能的电流状态）。传感器利用八个操作码中的六个（1 到6）生成三位数的数据输出。该信息很有用，因为控制器可确定何时发出了非法操作码（0 和7），并根据合法操作码（1 到6）执行动作。
阅读图3-1 中的查找表的方法如下：
- >> 当霍尔传感器W、V、U等于操作码1-0-1、操作码5时，扇区0激励。
- >> 当霍尔传感器W、V、U等于操作码1-0-0、操作码4时，扇区1激励。
依此类推，可获得其他各种可能的状态。
各个霍尔传感器都位于转子上，因此每个转子扇区都会出现一个变化状态。
如图3-1 所示，该算法会获取霍尔传感器操作码并对其进行解码。一旦霍尔传感器操作码的值发生变化，控制器就必须更改激励方案以实现换向。
微控制器利用操作码从查找表中提取激励信息。三相逆变器通过新扇区命令激励后，磁场移动至新位置，从而推动转子。电机运行时，此过程不断重复。
4.2 了解脉冲宽度调制
有些电机仅需要一个速度，因此它们只需要恒定直流电压进入逆变器，如图3-1 所示。但是，如今许多产品，其中包括很多电动工具和园艺工具，都需要变速电机。这种电机利用脉冲宽度调制（PWM）来改变电机速度。脉宽调制可精准控制电机速度和扭矩，从而实现变速。
宽调制（PWM）是具有恒定频率的方波信号，如图3-2 所示。脉宽调制将逆变器直流电压转换为调制后的有效电压。例如，利用占空比为0% 到100% 的脉宽调制控制信号，可使用12 伏电池向电机施加0 伏到12 伏的任何电压。算法利用这种控制方法来有效限制启动电流以及调节电机速度和扭矩。
脉宽调制开关频率是电源开发阶段必须牢记的重要设计因素。提高开关频率会增加开关损耗，但可改善低电感电机中的电流稳定度。降低开关频率会增加电流纹波，电流纹波将转化为扭矩纹波（例如振动）。应用电压和电机电感将引导设计人员选择正确的脉宽调制开关频率。根据经验，电压或电流越高，所需要的开关频率就越低。
持续改变脉宽调制信号会改变占空比，如图3-3 所示。它给出了一系列电压值，而这反过来又会改变电机速度。您可利用这些脉宽调制占空比的变化来改变进入电机绕组的电压。
4.3 识别无刷直流电机/ 永磁同步电机典型应用
本节中，我们将探讨无刷直流电机/ 永磁同步电机在电动工具、园艺工具、白色家电和车辆等关键产品类型中的某些常见用途。
电动工具
电池（尤其是经久耐用的高能量密度电池）供电的无绳电动工具让用户能够灵活自由地使用。这种便捷和自由促使该领域迅速转向无刷直流电机/永磁同步电机。
传统上，电动工具由通用交流/ 直流有刷电机、开关或电位计以及将其与电源插座连接的电线构成。在将近一个世纪的时间里，人们利用这种方法设计出了种类繁多的电动工具。但是，在无绳电动工具中，必须考虑操作时间，因为操作时间受到电池性能的限制。
钻孔机、圆锯及其他类似工具需要在负载下启动，因此它们使用传感器和基于传感器的算法，其中大多数使用无刷直流电机和六步梯形换向方案。但是，其他很多电动工具（如磨床和摆锯）以及诸如吹叶机、割草机和绿篱机等绝大多数园艺工具也采用无传感器算法。设计师一直在寻求提高电动工具性能的方法，因此，永磁同步电机和磁场定向控制（FOC）开始出
现在成本更高、性能更高的电动工具中。
园艺工具
园艺工具包括割草机、打边机、链锯、吹叶机以及切边机。它们可能看起来属于电动工具，但传统的电动工具（如钻孔机和锯）是电力驱动，而园艺工具大多由燃气内燃机提供动力，我们的工具房里偶尔也有带电线的园艺工具。
可靠的电池供电的园艺工具普及较慢。它们大约在二三十年前就已出现，但因功能薄弱而并不引人注意。但是，随着无刷直流电机/ 永磁同步电机和高压电池领域的技术进步，它们的命运已发生逆转！
如今的园艺工具采用40 伏到80 伏电池技术，其性能与燃气动力同类产品的性能一样出色。这么高的电压甚至足以使无刷直流电机/ 永磁同步电机为拖拉机式割草机提供动力！
白色家电
白色家电行业为我们提供了很多家用电器，如冰箱、洗衣机和烘干机、真空吸尘器以及吊扇。传统上，所有这些电器都使用不需要专用驱动器/ 控制器的交流感应电机。但是，随着节电措施的出现以及用户对某些家电变速的需求，交流感应电机已逐步被无刷直流电机/ 永磁同步电机取代。
在冰箱中，压缩机、风机和水泵均已改用无刷直流电机/ 永磁同步电机。
这些电器已纳入绿色能源计划中，所以节能至关重要。与此同时，在家庭环境中尽可能地减少振动和噪音，也是大家非常期待的。凭借采用磁场定向控制（FOC）换向的低纹波永磁同步电机，现在的冰箱不仅更节能、更可靠，而且还更加安静，在室内使用也不再令人厌烦。吊扇、抽油烟机和真空吸尘器也利用了这些先进技术。
汽车行业
您所拥有的机器中，电机数量最多的一台机器最可能是您的运输机器⸺汽车！电动座椅、电动窗、电动后视镜、门锁、雨刮、水泵、油泵、风扇、鼓风机等等。您的汽车的各个位置可能装配有二十几个到多达50 个电机，它们都需要被驱动和控制。
传统上，汽车中的所有电机都是简单的有刷直流电机。但是，人们对能源使用和气候变化的担忧预示着一个注重节能的新时代的到来。以热量形式耗散的能源必须通过燃烧更多的化石燃料产生，因此使用更高效的电机可减少碳足迹。即使每个电机仅能节省相对较少的能源，但如果将其乘以每辆汽车中电机的数量以及全球大约有14 亿辆汽车这一实际数字，便可明显看出，把有刷直流电机换成无刷直流电机/ 永磁同步电机意义重大。